Двухкоординатный оптический преобразователь перемещения в напряжение

Двухкоординатный оптический преобразователь перемещения в напряжение

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к информационно-измерительной и вычислительной технике. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия за счет исключения влияния погрешностей от механической фиксации напряжения и колебаний анализатора. В устройство введены усилитель-ограничитель 7, три формирователя 8 - 10, три триггера 11 - 13, два элемента И 14 и 15, два триггера 16 и 17, источник эталонного нагфяжения, четь1ре ключа 19 - 22, два интегратора 23 и 24, две схемы 25 и 26 выборки-хранения и две катушки 27. При этом анализатор 3 выполнен в виде непрозрачной кольцевой ленты, вращающейся в плоскости измерения перемещений, . лента разбита на четьфе равных сектора , два из которых являются полностью непрозрачными, а в каждом из оставшихся двух секторов имеются прямая и § наклонная щели, причем прямая щель расположена вдоль оси Y и перпендикулярна направлению движения ленты, а наклонная составляет с прямой щелью угол 45 ,при этом длины обеих щелей t: сл с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

09) (11) (я)4 G 01 В 21 00 Р Р .11

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

К A BTGPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4 182322/24-28 (22) 13.01.87 (46) 07.12.88. Бюл. У 45 (71) Институт электросварки им. Е.О.Патона (72) В.M.Ëóíèí, Я.Ф.Кисилевский, О.Г.Касаткин, А.В.Панченко, А.Л.Копельман и С.Н,Абрамов (53) 531.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

11 1170615, кл. Н 03 M 1/24, 1983. (54) ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕРЕШЕНИЯ В НАПРЯЖЕНИЕ (57) Изобретение относится к информационно-измерительной и вычислительной технике. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия за счет исключения влияния погрешностей от механической фиксации напряжения и колебаний анализатора.

В устройство введены усилитель-ограничитель 7, три формирователя 8 — 10, три триггера 11 — 13, два элемента И

14 и 15, два триггера 16 и 17, источник эталонного напряжения, четыре ключа 19 — 22, два интегратора 23 и 24, две схемы 25 и 26 выборки-хра" нения и две катушки 27. При этом анализатор 3 выполнен в виде непрозрачной кольцевой ленты, вращающейся в плоскости измерения перемещений, лента разбита на четыре равных сектора, два из которых являются полностью непрозрачньпи, а в каждом из оставшихся двух секторов имеются прямая и Я наклонная щели. причем прямая щель расположена вдоль оси Y и перпендикулярна направлению движения ленты, а наклонная составляет с прямой щелью угол 45,при этом длины обеих щелей

1442833 выбраны так, что чувствительная эона формирователя 5 начала отсчета пересекается только прямой щелью, причем непрозрачные сектора чередуются с щелевыми. Фотоприемник 4 представляет собой плоскую пластину, на которую

Изобретение относится к информационно-измерительной и вычислительной технике и может быть использовано, в частности, для оперативного контроля сварочных перемещений и деформаций широкого класса изделий в процессе сварки.

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия за счет ис- 10 ключения влияния погрешностей от механической фиксации напряжения и колебания анализатора.

На фиг.1 изображена схема двухкоординатного оптического преобразо- 15 вателя перемещений в напряжение; на фиг.2 — конструкция анализатора с катушками, установка формирователя начала отсчета и фотоприемника отно" сительно ленты анализатора;на фиг.3 - 20 выполнение ленты анализатора; на фиг.4 - способ компенсации погрешности от эффективного радиуса опорного луча в плоскости анализатора; на фиг,5 — временные диаграммы работы 25 преобразователя.

Преобразователь содержит излуча.тель 1, коллиматор 2, анализатор 3, фотоприемник 4, формирователь 5 нача. ла отсчета, двигатель 6, усилитель- 30 ограничитель 7, формирователи 8 - 10, триггеры 11 — 13, элементы И 14 и 15, триггеры 16 и 17, источник 18 эталонного напряжения, ключи 19 " 22, интеграторы 23 и 24 схемы 25 и 26 выборки-хранения и катушки 27 анализатора.

Излучатель 1 через коллиматор 2 и анализатор 3 оптически связан с фотоприемником 4. При этом анализатор А

3 имеет оптическую связь с формирователем 5 начала отсчета и механическую с двигателем 6., Выход фотоприемника нанесен фоточувствительный слой, причем размеры пластины определяются размерами сектора анализатора, которые, в свою очередь, определяются диапазоном измеряемых перемещений.

5 ил.

4 соединен с входом усилителя-ограничителя 7, выход которого подключен к входу формирователя 10, первому входу элемента И 14 н первому входу элемента И 15, причем выход формирователя 10 соединен с входом сброса триггера 13, Выход формирователя 5 начала отсчета соединен с входами формирователей 8 и 9, причем выход формирователя 8 соединен с входом установки триггера 11, а выход формирователя 9 — с входами установки триггеров 12 и 13, а.также с входами стробирования схем 25 и 26 выборкихранения. Прямой выход триггера 13 подключен к второму входу элемента И

14, а инверсный выход триггера 13— к второму входу элемента И 15, прямой выход которого соединен с входом сброса триггера 16, а инверсный выход — с входом сброса триггера 17, выход которого подключен к управляющему входу ключа 22.

Прямой выход элемента И 14 подключен к входу сброса триггера 12 и к входу установки триггера 16, а инверсный выход — к входу сброса триггера 11 и к входу установки триггера

17. При этом выходы триггеров 11, 12 и 16 соединены с управляющими входами ключей 19 — 21 соответственно, входы которых вместе с входом ключа

22 соединены с выходами источника 18 эталонного напряжения, Выходы ключей

19 и 20 соединены с первым и вторым входами интеграторов 23, а выходы ключей 21 и 22 - с первым и вторым входами интегратора 24, причем входы схем 25 и 26 выборки-хранения соединены с выходами интеграторов 23 и 24 соответственно. Выход схемы 25 выборки-хранения подключен к третьему

144283 входу интегратора 23 и слу кит выходом устройства, а выход схемы 26 выборки-хранения подключен к .ретьему входу интегратора 24 и служит выхо5 дом 0 устройства.

Анализатор 3 выполнен в виде непрозрачной кольцевой ленты, вращающейся в плоскости измерения геремещений при помощи двух катушек 27, одна иэ которых является ведущей и механически связана с двигателем 6, Лента разбита на четыре равных сектора, два из которых являются полностью непрозрачными, а в каждом из оставшихся двух секторов имеются прямая

28 и наклонная 29 прозрачные шели.

Прямая щель 28 расположена вдоль оси У и перпендикулярна направлению движения анализатора 3, а наклонная щель 29 исходит из одного из концов прямой щели 28 и составляет с ней угол 45, при этом длины щелей 28 и 29 выбраны так, что чувствительная зона формирователя 5 начала отсчета пересекается только прямой щелью 28, Ь причем непрозрачные сектора чередуются с секторами„ имеющими цели 28 и 29.

Фотоприемник 4 представляет собой плоскую пластину, на которую нанес.ен фоточувствительный слой, Преобразователь работает следующим образом °

Излучатель 1, в качестве которого может быть использован гелий-неоновый лазер, с закрепленным на нем коллиматором 2 устанавливается на неподвижной базовой оснастке и используется для задания опорного базового направ- 4О ления. Анализатор 3 и связанные с ним фотоприемник 4, формирователь 5 начала отсчета, двигатель 6 и катущки

27 расположены в контролируемой точке объекта. Двигатель 6 через катуш- 4r„ ки 27 приводит в движение анализатор 3. При движении анализатора 3 вправо (фиг.2) с линейной скоростью

U на выходе формирователя 5 начала отсчета вырабатывается последователь- 5О ность HMIIóëüñoâ начала отсчета Т„о (фиг.S) возникающих при пересечении оси формирователя 5 начала отсчета прямой щелью 28, а на выходе фотоприемника. 4 после усилителя-ограничителя 7 вырабатывается последовательHOCTb HM. IgJlbCOB T<< BO3HHKBI0IUHX TIPH пересечении прямой 28 и наклонной 29 щелями анализатора 3 луча излучателя

4 точке А с искомыми координатами

Х, и У; (фиг ° 3), Во время прохода одного сектора анализатора 3 в плоскости измерения перемещений вырабатываются два импульса в последовательности Т, причем первый импульс T„ соответствует пересечению опорного луча с прямой щелью 28 анализатора 3, а второй импульс T„ — пересечению опорного луча с наклонной щелью 29 (фиг.3 и 5). При этом длительность интервала времени Т„ равна

Т„ = Х;/U,. (1)

Поскольку щель 29 анализатора 3

ro наклонена к щели 28 под углом Ч 4э то изменение координаты Y л а з еeр: ого луча на плоскости анализатора 3 равно изменению координаты Х (tgg=1) °

Поэтому длительность интервала времени Т равна

Т„= У;/V ° (2)

При этом скорость U перемещения анализатора 3 может быть определена как

U Lo/Т31 (3)

rye L0 — базовая длина (фиг ° 3);

Т вЂ” период следования импульсов и

Т „(фиг. 4) .

Из выражений () — (3) получают

1.,Т /Tö, (4)

Y =? ОТЧ/Тц. (5)

Таким образом, из уравнений (4) и () видно, что задача измерения координат Х," и У; контролируемой точки объекта сводится к задаче измерения интервалов времени Т „ и Т . При этом, (( длительность импульсов Т„и Т„(фиг.4 и 5) содержит дополнительные компо" ненты Ь и h,, обусловленные ко1 нечным эффективным радиусом г опорного луча в плоскости анализатора 3, Эти дополнительные компоненты являются источниками методической погрешности преобразователя, поэтому нх необходимо скомпенсировать. Эффективный радиус опорного луча r — расстояние от центра сечения луча до точки, интенсивность излучения в которой равна порогу срабатывания фотоприемника 4.

Длительность импульсов Т„ и T„ определяется выражениями (фиг.5)

При этом интервалы времени между передним фронтом Т„ и передним фронтом T„, а также между передним фронтом Т, и передним фронтом Т

1 ственно равны

t.х,, =Т - 6 ь, f

7jI =T«+ ъ <-, б -л,з 00 Т:3 ет - фРОН ГОМ .: . И ЗЯ7".II;I > 6;-(.. 0 .I ним Фронтом . 11 ялО, и:.; .1 >

11 .j. g —;IIihi". I о;;,g н IO (71

И q7g .IОЛУ =.Я Ji

„и ! — (9 / Г:.

, 0 J

ВиднО, чт0 погрей".о;: кь:-.;:Ieр-; тервалов времени Т,:. . Тц не зн;л-.. :

ОПОО -:ого го .i; рит1"1-. . ь

j г ю-«. H 1,кд ч

К0 I Dphil дг. ТЯП .Л», Н,,,11 .; ..О,,1;.1Е;,:;;,; и;

Я СОРЯСЫВЯ; 1т Я ПО ЭЯД-1. «,-,т 1,:":Е j e фр ятям имт; -;:.; -; 0 !

HD (при помоци 4мp; -:, ОБ::..т э, л триггера 1 3 ".-1 с-х::, к1 л 1 . ; -:10!

1 фР ОН гз1...;:,,— 1- -., По ПЕОГн„, C ",/ н миров ателя 1 0 -; —;; 1.-:-рре i 3 .- -.Ле,, р-.: =1I 1 c.j н, о:-,."e = Li, ::., „:--,-; лекдии и!-ЛУльсов „н . н: НРЯмок

3 соогветст:=Янно ., 1

7 прн иг;-; ЯЦ.- ЮТ Вт, Kä„Т>

R1C

i \! (Т., +Т„ )+Ц, g, сопротивления интегратора 23 но соогветству,ah",им Входам.; емкость интегратора 23 коэффгциент передачи схемы 25 выборки-хранения, =- ..Огн .:.0 1 . Сле и-го цикла инii .. „ -".,) 11 +U„q . (12)

) =! .",.;.=.,-.-.Нк e,12) состоит из двух

---нотой; -еe Ieòpè÷åñêîé прогрессии, схо-,яае;-":ся гри условии Q)c 1, и убыВе .j;;.I 0 -.-рн =-.Dì же условии члена

1. о " т:".,..3,, спользуя формулу для суммы .-.;скок::=.=..="- .pè÷eñêoé прогрессии

:= к,. -:.:11,::-.-Лся режиме (и — < а ), 11

К1 Т„. т„

11 аR2 7, (13) кгаоч -й 1-", н 20 интегратора 23 и схемы 2ç вьборки-хранения. В каждом цикле ряосты кяняля oe iiieñ÷ Bëÿeòñÿ ин тегрнровянне интегратором 23 выходно-0 напряжения +Е источника эталон .:Ог 0 Iiai ряження в течение интервалов

ii в;емен-. Т, и Т,, через кпочи 19 и 20 сac I Be Отвеяно, выбсрка выходного .яж; —.н-.;я интегратора 23 схемой 25

—:.;=.: —.Ори: -хранения в I"DIeíò времени Т, "::: ч e I-в юрий пeреднему фрон гу —.ьс= Т.,I;, а гак;-:; .-.:тегрирование

"рс гор=м 23 Bhi_#_cj. Ого напряжения

С1.ei.hi 25 выборки-хранения за вре3 я . 3, еред началом преобразования

:.-.Нже. †:Не,.:-Я в-I -ope схемы 25 выбор,; вЂ..:,:ян-;=;-;ия равно U,, та после перво..-.. . О:.1 Bio he .-,pÿ:êeiièå равно

П

L у

1 f

КЯНЯЛЯ1 Н фебом -о% .- - . = -. -- - - Ф=-= предлягя и, —,. г,. —, —:.; >,;,,, . 1 0 :"

&Ыр г.Ы i..i i

ИС Го -Ы.ИКс j -: 1 1 " .. - - - — - б.;::.эо, с;и выбирают — о напряженке на выходе схе ; 2. 1 .зыборки-хранения пропорциоB.- 1J I BII 0 д -. K ртов Ой координате Х конт» ,,"О;.л. :руемой точки объекта. . :нелогичным образом раба-,àåò ка. ЯЛ

1442833 таящий из источника 18 эталонного напряжения, ключей 21 и 22, интегратора 24 и схемы 26 выборки-хранения.

В установившемся режиме напряжение на выходе схемы 26 выборки-хранения определяется выражением н

R1 т„+т

Б =Е-- ° — —- (14)

5 R2 Т,„ l0

«R1 1, где Š— = — а напряжение U npooR2 2 4 парциональна декартовой координате У контролируемой точки объекта.

Число циклов и, необходимое для достижения заданной относительной погрешности преобразования, определяется из вырая-ения

U 20 п=1НТ 1п --- — 1п ф+1, (15)

П, Пн где INI — целая часть числа;

U — установившееся значение

Оо

25 напряжения, Для погрешности преобразования

t% „=0, 1Х реально достижимое число циклов п=4-6, а теоретически (при Q=0) результат преобразования получается

КрТ 30 за один цикл. ПосколькУ Q 1 — «К1Сто параметры интеграторов 23 и 24, влияющие на показатель сходимости Q„ выбираются одинаковыми (R1 и С) для устранения неоднозначности при получении результата измерения по обоим каналам.

Формула изобретения

Двухкаординатный оптический преобразователь перемещения в напряжение содержащий излучатель и последоФ вательно размещенные на оптической оси излучателя коллиматор, анализа- 45 тор и фотоприемник, формирователь начала отсчета, двигатель, механически связанный с анализатором, и блок обработки сигнала, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, блок обработки сигнала выполнен в виде усилителя-ограничителя, связанного с фотоприемником, трех формирователей пяти триггеров двух элемента

И источника эталонного напряжения, двух интеграторов, двух схем выборкихранения и четырех электронных ключей к входам первого и второго форт мирователей подключен выход „-ормир"вателя начала отсчета, а к входу третьего формирователя подключен выход усилителя-ограничителя, выход первого формирователя подключен к входу установки первого триггера, а выход второго формирователя подключен к входам установки второго и третьего триггеров, к входу сброса третьего триггера подключен выход третьего формирователя, первые входы элементов И подключены к выходу усилителя-ограничителя, а вторые входы первого и второго элементов И подключены к прямому и инверсному выходам третьего триггера соответственно, прямой выход первого элемента И подключен к входу установки четвертого триггера и входу сброса второго триггера, а инверсный выход первого элемента И подключен к входу установки пятого триггера и входу сброса первого триггера, прямой выход второго элемента И подключен к входу сбро= са четвертого триггера, инверсный его выход подключен к входу сброса пятого триггера, выход источника эталонного напря ения подключен к входам электронных ключей, управляющие входы которых подключены к выходам первого, второго, четвертого и пятого триггеров соответственно, первый и второй входы первого интегратора подключены к входу первого и второго ключей, а первый и второй входы второго интегратора подключены к выходам третьего и четвертого ключей, входы схем выборки-хранения подключены к выходам первого и второго интеграторов, а входы страбирования подключены к выходу второго формирователя, выход первой схемы выборки-хранения подключен к третьему входу первого интегратора и является выходом U„. Преабгазователя, а выход второй схемы выборкихранения подключен к третьему входу второго Интегратора и является выходом U преобразователя, анализатор

3 выполнен в виде непрозрачной кольцевой ленты с четным числом секторов прозрачных и щелевых, чередующихся между собой, щелевсй сектор содержит две щели, первая щель расположена перпендикулярно направлению перемещения ленты и предназначена для взаимо" действия с формирователем начала отсчета, вторая щель размещена пад углом 45 к первой, фатоприемник выполнен протяженным вдаль направления

1442833

10 перемещения ленты, продольный размер

Фотоприемника соизмерим с размером сектора, совпадающим с тем же направлением перемещения„

1442833

Составитель Е.Глазкова

Редактор И.Дербак Техред N.Äèäûê

Корректор В. Бутяга

Заказ 6374/38 Тирая 680 Подписное

ВПИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфи«.еское предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4